海面下に十分に深く潜ると、光が君臨します。水深100～1,000メートルに生息する魚類や甲殻類の約90％は、自ら光を発する能力を持っています。懐中電灯の魚は、目の下で脈動する光ポケットから送信される点滅するモールス信号で狩りをし、通信します。チューブショルダー フィッシュは攻撃者に光るインクを発射します。ハチェットフィッシュは、下腹部に光を発生させて降り注ぐ太陽光を模倣することで、自分自身を見えないようにします。下を徘徊する捕食者は、絶え間ない輝きだけを見上げます。
科学者たちは、生命の樹全体で何千もの生物発光生物を索引付けしており、さらに多くの生物が追加されることを期待しています。しかし、研究者たちは長い間、生物発光がどのようになったのか疑問に思ってきました。現在、最近発表されたいくつかの研究で説明されているように、研究者は進化的および化学的両方の生物発光の起源を理解する上で大きな進歩を遂げました.新しい理解により、いつの日か生物発光を生物学や医学研究のツールとして使用できるようになるかもしれません.
長年の課題の 1 つは、生物発光が何回発生したかを特定することでした。互いに独立して同じ結論に達した種はいくつありますか?
生物からの光の最もよく知られている例のいくつかは、ホタル、ツチボタル、キツネなどの陸生のものですが、生物発光を含む進化イベントの大部分は海で発生しました。実際、生物発光はすべての陸生脊椎動物と顕花植物に著しく存在しません。
ミネソタ州にあるセント クラウド州立大学の生物学者であるマシュー デイビス氏は、深海では光が生物に獲物を引き付け、コミュニケーションを取り、身を守る独自の方法を与えていると述べています。 6 月に発表された研究で、彼と彼の同僚は、コミュニケーションと求愛信号に光を使用する魚が特に多様であることを発見しました。約 1 億 5000 万年の期間 (進化の基準からすれば短い期間) で、そのような魚は他のグループの魚よりも多くの種に増殖しました。一方、カモフラージュのみに光を使用する生物発光種は、もはや多様ではありませんでした.
求愛の合図は比較的簡単に変化します。これらの変化は、個体群にサブグループを作成し、最終的には固有の種に分裂する可能性があります。 6 月、カリフォルニア大学サンタバーバラ校の進化生物学者である Todd Oakley と彼の学生の 1 人である Emily Ellis は、求愛で生物発光を使用する生物は、種数が大幅に多く、求愛の速度が速いことを発見した研究を発表しました。光を使わない近縁生物よりも種の蓄積が少ない。 Oakley と Ellis は、ホタル、タコ、サメ、貝殻類と呼ばれる小さな甲殻類など、10 のグループの生物を研究しました。
デイビスと彼の同僚による研究は、魚種の約 95% を含むグループである条鰭のある魚に限定されていました。 Davis は、その単一のグループでさえ、生物発光が少なくとも 27 回進化したと推定しました。モントレーベイ水族館研究所の海洋生物学者で生物発光の専門家であるスティーブン ハドックは、生物発光はすべての生命体で少なくとも 50 回独立して進化したと推定しています。
さまざまな輝き方
ほぼすべての光る生物では、生物発光には 3 つの成分が必要です。酸素、ルシフェリン (ラテン語の lucifer に由来) と呼ばれる発光色素です。 、光をもたらすことを意味する）、およびルシフェラーゼと呼ばれる酵素。ルシフェリンが酸素と反応すると (ルシフェラーゼによって促進されるプロセス)、励起された不安定な化合物が形成され、最低エネルギー状態に戻るときに光を放出します。
興味深いことに、ルシフェラーゼよりもルシフェリンの方がはるかに少ないです。種は固有のルシフェラーゼを持つ傾向がありますが、多くは同じルシフェリンを共有しています。わずか 4 つのルシフェリンが、海洋におけるほとんどの光の生成を担っています。世界の生物発光生物の 20 近くのグループのうち、セレンテラジンと呼ばれるルシフェリンが 9 つの発光体です。
しかし、セレンテラジンを含むすべての生物が単一の光る祖先から進化したと仮定するのは間違いです。ミュンヘンにあるルートヴィヒ・マクシミリアン大学の生物学者であるウォーレン・フランシスは、もし彼らがそうしていたなら、なぜ彼らはこれほど多種多様なルシフェラーゼを開発したのでしょうか?おそらく、最初のルシフェリン-ルシフェラーゼのペアが生き残り、増殖したでしょう.
これらの種の多くは、セレンテラジン自体を作らない可能性が高い.代わりに、彼らは食事からそれを摂取していると、中部大学の生物学教授である大場雄一氏は述べています.
2009年、オバが率いるグループは、深海のカイアシ類（小さな、ほぼどこにでもいる甲殻類）が独自のセレンテラジンを作ることを発見しました。これらのカイアシ類は、さまざまな海洋動物にとって非常に豊富な食料源です。そのため、「日本では、カイアシ類を『海の米』と呼んでいます」と大場氏は述べています。彼は、カイアシ類が、なぜこれほど多くの海洋生物が生物発光するのかを理解するための鍵であると考えています.
大場らは、セレンテラジンの構成要素と考えられるアミノ酸を分子マーカーで標識し、カイアシ類の餌に取り込んだ。その後、彼らはこの餌を実験室のカイアシ類に与えました。
24 時間後、研究者はカイアシ類からセレンテラジンを抽出し、追加したラベルを探しました。案の定、ラベルがそこにありました — 甲殻類がアミノ酸からルシフェリン分子を合成したという決定的な証拠です.
セレンテラジンが最初に発見された（そして名前が付けられた）クラゲでさえ、後に独自のセレンテラジンをまったく生成しないことが判明しました.カイアシ類やその他の小さな甲殻類を食べることでルシフェリンを取得します。
謎の起源
研究者たちは、深海動物におけるセレンテラジンの人気を説明するのに役立つかもしれない別の手がかりを発見しました.セレンテラジン分子は、光を発しない生物にも存在します.これは、ベルギーのルーヴァン・カトリック大学の生物学者であるジャン・フランソワ・リースを奇妙に思いました。 「非常に多くの異なる動物が光を生成するためにまったく同じ分子に依存していることは、すでに驚くべきことです」と彼は言いました.おそらく、セレンテラジンには発光の他に別の機能があったのでしょうか?
ラットの肝細胞を使った実験で、Rees はセレンテラジンが強力な抗酸化物質であることを示しました。彼の仮説は、おそらくセレンテラジンは地表水に生息する海洋生物で最初に増殖した.そこでは、抗酸化物質が、有害な太陽光線と高い呼吸率による酸化ストレスから必要な保護を提供していたでしょう.
これらの生物が、抗酸化物質の必要性が低い海のより深い層に定着し始めたとき、セレンテラジンの光を放出する能力が有用になった、とリースは理論付けた.時間の経過とともに、生物はこの特性を強化するために、ルシフェラーゼや特殊な光器官などのさまざまな戦略を進化させました。
それでも研究者たちは、オバのカイアシ類以外の生物がどのようにしてセレンテラジンを作るかを発見していません。セレンテラジンをコードする遺伝子も完全に不明です。
くしゼリー入り。これらの古代の海洋生物は、動物の系統樹の最初の枝であると考えられていますが、セレンテラジンを生成できると長い間疑われてきました。しかし、それを確認できた人はおらず、ましてや遺伝子命令キットの働きを追跡することはできませんでした.
しかし、昨年報告された研究では、Francis と Haddock が率いる研究者チームが、ルシフェリンの合成に関与している可能性のある遺伝子を突き止めました。これを行うために、彼らは、動物が任意の時点で発現している遺伝子のスナップショットを提供するくしゼリーのトランスクリプトームを調べました。彼らは、3 つのアミノ酸のグループをコードする遺伝子を探していました。これは、オバがカイアシ類に与えたのと同じアミノ酸です。
生物発光クシクラゲの 22 種にわたって、科学者は彼らの基準に適合する遺伝子のグループを発見しました。それらの同じ遺伝子は、クシクラゲの他の 2 つの非発光種には存在しませんでした。
これらの遺伝子がセレンテラジンの産生に関与している可能性があることを示す「非常に強力な証拠ですが、それでも状況に応じた証拠です」と Haddock 氏は述べています。研究室でクシクラゲを扱う技術が進歩するにつれて、彼のチームの発見を遺伝子操作実験でテストすることがすぐに可能になるかもしれないと彼は考えています.
新しい懐中電灯
生物発光の遺伝子機構には、進化生物学を超えた用途があります。科学者がルシフェリンとルシフェラーゼのペアの遺伝子を分離できれば、さまざまな理由から生物や細胞を操作して光らせることができる可能性があります。
1986 年、カリフォルニア大学サンディエゴ校の科学者は、ホタルのルシフェラーゼ遺伝子を改変し、タバコ植物に挿入しました。この研究はジャーナル Science に掲載されました 暗い背景に対して不気味に光っているこれらの植物の 1 つの画像。
ただし、植物はそれ自体で光を生成しませんでした — ルシフェラーゼが含まれていましたが、発光するにはルシフェリンを含む溶液で水をまく必要がありました.
30 年経った今でも、科学者はほとんどのルシフェリンの生合成経路を知らないため、自己発光生物を遺伝子操作することはできません。 (唯一の例外は細菌です。研究者は、細菌のルシフェリン-ルシフェラーゼ系をコードする「lux」遺伝子を特定しましたが、これらの遺伝子は、細菌以外の生物で使用できるように変更する必要があります。)
ルシフェリンとルシフェラーゼの最大の潜在的な用途の 1 つは、細胞生物学の研究です。それらを挿入することは、細胞や組織にライトを取り付けることに似ています。カリフォルニア大学アーバイン校の化学教授である Jennifer Prescher は、次のように述べています。
生物発光分子の用途は、HIV 感染の運命を追跡し、腫瘍を視覚化し、アルツハイマー病の神経細胞損傷を追跡するために使用されてきた緑色蛍光タンパク質の用途と同様です。
現在、イメージング実験にルシフェリンを使用する研究者は、合成バージョンを作成するか、ミリグラムあたり 50 ドルで購入する必要があります。外部で生成されたルシフェリンを細胞に送達することも、やや困難な場合があります。細胞が独自のルシフェリンを生成するように操作できれば、この問題は存在しないでしょう.
最近の研究では、生物がどのように光を生成するかの進化的および化学的プロセスに絞り込まれていますが、生物発光の世界の多くはまだ暗闇の中にあります.
